Kính Webb phát hiện ít vật thể nhỏ ở Vành đai Kuiper hơn dự đoán từ mô hình hình thành hành tinh

Vùng không gian phía ngoài Sao Hải Vương được cho là chứa đầy những vật thể nhỏ. Mọi mô hình về cách các hành tinh hình thành đều dự đoán điều đó: một đám đông các thiên thể băng giá với đủ kích cỡ, từ những “gã khổng lồ” cỡ Sao Diêm Vương cho đến các vật thể chỉ rộng vài kilômét, tất cả đều được bảo quản lạnh kể từ khi Hệ Mặt Trời hình thành. Lần đầu tiên, hai kính viễn vọng không gian đã đếm được những thành viên nhỏ nhất của kho lưu trữ băng giá đó. Kết quả thấp hơn dự kiến.

Một cuộc khảo sát kết hợp giữa Kính viễn vọng không gian James Webb và Kính viễn vọng không gian Hubble đã xác định được 27 vật thể xuyên Sao Hải Vương chưa từng được biết đến trước đây — những thiên thể băng giá quay quanh quỹ đạo phía ngoài Sao Hải Vương — trong đó có một vật thể chỉ rộng 5 km. Ở kích thước đó, các vật thể này mờ hơn một trăm triệu lần so với bất kỳ ngôi sao nào có thể nhìn thấy bằng mắt thường; không có đài quan sát mặt đất nào có thể tìm thấy chúng. Việc phát hiện đòi hỏi độ nhạy hồng ngoại của Webb và độ chính xác ánh sáng khả kiến của Hubble phối hợp cùng nhau.

Điều bất ngờ không phải là phát hiện ra các vật thể nhỏ. Mà là chúng không đủ nhiều.

Cách hai kính viễn vọng đếm mảnh vụn lâu đời nhất của Hệ Mặt Trời

Cuộc khảo sát hoạt động bằng cách kết hợp hai loại đo lường. Hubble chụp ảnh ở bước sóng khả kiến, xác định vị trí và độ sáng của từng vật thể dưới ánh sáng Mặt Trời phản xạ. Webb bổ sung dữ liệu hồng ngoại, tiết lộ màu sắc bề mặt và bức xạ nhiệt — những thông tin mã hóa thành phần và lịch sử hình thành. Kết hợp lại, các thiết bị có thể mô tả đặc điểm của các vật thể nhỏ hơn năm lần so với bất cứ thứ gì từng được khảo sát trước đây ở vùng ngoài Hệ Mặt Trời.

Trong hai năm đầu hoạt động khoa học, Webb đã thu được dữ liệu trắc quang có thể sử dụng được trên hơn 75 vật thể xuyên Sao Hải Vương đã biết và mới phát hiện. Từ chiến dịch rộng hơn đó, 27 vật thể xuất hiện không có trong danh mục trước đây — những thiên thể mới trong một khu vực mà các khảo sát mặt đất từng cho là đã được lập bản đồ tốt ở các kích thước mà chúng có thể tiếp cận.

Kết quả được công bố trong hai bài báo trên tạp chí The Astronomical Journal, một do Anastasia Morgan, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Northern Arizona, dẫn đầu, và bài kia do Marielle Eduardo tại Đại học Victoria thực hiện. David Trilling từ Đại học Northern Arizona là đồng nghiên cứu viên trong cả hai bài báo.

Những gì mô hình dự đoán – và con số đếm cho thấy

Các mô hình hình thành hành tinh được xây dựng trong nhiều thập kỷ qua dự đoán một phân bố kích thước cụ thể: sự suy giảm theo hàm lũy thừa, trong đó tỷ lệ gần như nhất quán được duy trì giữa mỗi lớp kích thước và lớp nhỏ hơn tiếp theo. Bài kiểm tra quan trọng là liệu quần thể vật thể nhỏ có còn tỷ lệ thuận ở các kích thước mà Webb hiện có thể tiếp cận hay không, hay nó giảm nhanh hơn.

Cuộc điều tra dân số Webb-Hubble phát hiện sự suy giảm dốc hơn dự đoán. Số lượng vật thể nhỏ thấp hơn yêu cầu của các mô hình. Các thiết bị có đủ độ nhạy để phát hiện nhiều vật thể hơn nếu chúng hiện diện — sự thiếu hụt là có thật, không phải do giới hạn phát hiện.

Một quá trình mà các nhà khoa học hành tinh đang xem xét là bất ổn định dòng chảy: sự sụp đổ hấp dẫn trực tiếp của các đám mây sỏi thành các thiên thể cỡ trung bình đến lớn, bỏ qua quá trình phân mảnh do va chạm dần dần vốn để lại một kho dự trữ phong phú hơn các mảnh vụn nhỏ. Nếu vùng ngoài Hệ Mặt Trời hình thành chủ yếu thông qua bất ổn định dòng chảy thay vì bồi tụ từng mảnh, thì sự thiếu hụt vật thể nhỏ phản ánh cách các khối xây dựng đó hình thành, chứ không phải cách chúng bị phá hủy sau đó.

Những gì màu sắc ghi nhớ

Bài báo thứ hai đề cập đến một câu hỏi riêng với một kết quả cũng có ý nghĩa không kém. Các vật thể xuyên Sao Hải Vương thuộc hai nhóm động lực học: quần thể “nóng” bị phân tán vào các quỹ đạo nghiêng do các cuộc gặp gỡ với hành tinh khổng lồ thời kỳ đầu, và quần thể “lạnh” vẫn ở gần nơi sinh ra của chúng trên các quỹ đạo gần như tròn. Vì các nhóm này hình thành trong những điều kiện khác nhau và trải qua các tỷ lệ va chạm khác nhau, các thành viên nhỏ hơn của chúng được dự đoán sẽ khác biệt về màu sắc bề mặt.

Chúng không khác biệt. Ở mọi kích thước mà cuộc khảo sát có thể phân giải, cả hai quần thể đều cho thấy mối quan hệ màu sắc giống nhau. Một TNO lạnh rộng 5 km và một TNO nóng rộng 5 km không thể phân biệt được bằng màu sắc. Sự nhất quán đó gợi ý rằng nguyên liệu hóa học của Vành đai Kuiper đã được trộn đều khi khu vực này hình thành — một hồ chứa đồng nhất thay vì các khu vực riêng biệt với thành phần khác biệt.

Hàm ý là các vật thể nhỏ đã bảo tồn hóa học ban đầu của chúng qua hàng tỷ năm va chạm và bắn phá tia vũ trụ. Bề mặt của một vật thể rộng 5 km ghi lại thông tin về tinh vân Mặt Trời thời kỳ đầu một cách rõ ràng như bất kỳ thiên thể lớn hơn nào trong cùng quần thể.

Những gì nghiên cứu này chưa giải quyết

27 vật thể mới được phát hiện có ý nghĩa thống kê nhưng chỉ bao phủ một mảng nhỏ của một khu vực chứa hàng trăm triệu thiên thể. Phát hiện về phân bố kích thước mang tính không chắc chắn mà các cuộc khảo sát lớn hơn phải giảm thiểu trước khi sự thiếu hụt vật thể nhỏ trở thành một thách thức chính thức đối với bất kỳ mô hình hình thành cụ thể nào.

Cuộc khảo sát cũng có một giới hạn cứng: các vật thể nhỏ hơn 5 km vẫn vô hình đối với cả hai kính viễn vọng. Nếu phân bố kích thước uốn cong lên trở lại dưới ngưỡng đó — với các vật thể nhỏ trở về số lượng dự kiến — thì sự thiếu hụt mà nghiên cứu xác định sẽ là một điểm chuyển tiếp chứ không phải một khoảng trống dai dẳng.

Cũng có vấn đề về thời điểm. Vành đai Kuiper ngày nay yên tĩnh hơn nhiều so với tỷ năm đầu tiên của Hệ Mặt Trời. Liệu số lượng vật thể nhỏ hiện tại phản ánh điều kiện tập hợp nguyên thủy hay sự quét sạch động lực học sau đó do các hành tinh khổng lồ di cư gây ra là điều mà cả hai bài báo đều không đề cập.

David Trilling tại Đại học Northern Arizona mô tả ưu tiên tiếp theo là mở rộng khu vực khảo sát và kết hợp dữ liệu màu sắc với quang phổ thành phần — kết nối bề mặt trông như thế nào với những gì chúng thực sự được tạo ra.

Các câu hỏi thường gặp về Vành đai Kuiper và vật thể xuyên Sao Hải Vương

Vật thể xuyên Sao Hải Vương là gì? Vật thể xuyên Sao Hải Vương là những thiên thể băng giá nhỏ quay quanh quỹ đạo phía ngoài Sao Hải Vương, tập trung chủ yếu ở Vành đai Kuiper trong khoảng từ 30 đến 50 đơn vị thiên văn tính từ Mặt Trời. Chúng là tàn tích băng giá của vật liệu xây dựng ban đầu của Hệ Mặt Trời bên ngoài — những hành tinh vi hình chưa bao giờ hợp nhất thành một hành tinh hoàn chỉnh vì lực hấp dẫn của Sao Hải Vương đã khuấy động khu vực này trước khi quá trình bồi tụ có thể hoàn tất.

Tại sao số lượng vật thể nhỏ lại quan trọng đối với sự hình thành hành tinh? Các mô hình hình thành hành tinh được kiểm tra bằng cách so sánh dự đoán của chúng với các quần thể quan sát được. Phân bố kích thước của các vật thể Vành đai Kuiper mã hóa hiệu quả và cơ chế của quá trình tập hợp ban đầu. Nếu các vật thể nhỏ hiếm hơn yêu cầu của mô hình, thì hoặc quá trình tạo ra chúng khác với dự kiến, hoặc các sự kiện động lực học sau đó đã loại bỏ chúng. Cả hai kết quả đều đòi hỏi phải sửa đổi bức tranh của chúng ta về cách Hệ Mặt Trời bên ngoài hình thành.

Làm thế nào Webb phát hiện các vật thể chỉ rộng 5 km, cách xa hàng tỷ km? Không phải bằng cách phân giải chúng — ở khoảng cách Vành đai Kuiper, Webb nhìn thấy một điểm sáng. Việc phát hiện đến từ trắc quang: đo ánh sáng Mặt Trời phản xạ mờ nhạt từ các vật thể mờ hơn một trăm triệu lần so với ngôi sao mờ nhất có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Độ nhạy hồng ngoại của Webb, kết hợp với độ chính xác ánh sáng khả kiến của Hubble, mở rộng tầm với đó đến các kích thước mà không có cuộc khảo sát nào trước đây có thể đạt được.

Điều gì tiếp theo cho nghiên cứu này? Kính viễn vọng không gian Nancy Grace Roman của NASA, với trường nhìn rộng hơn nhiều so với cả Hubble và Webb, được thiết kế chính xác cho loại điều tra dân số thống kê này. Một cuộc khảo sát Vành đai Kuiper theo kế hoạch dự kiến sẽ thu được hàng nghìn phát hiện TNO nhỏ — đủ để xác nhận sự thiếu hụt một cách dứt khoát hoặc xác định nơi phân bố kích thước phục hồi.

Hệ Mặt Trời bên ngoài vẫn đang được lập bản đồ. Hai kính viễn vọng phối hợp với nhau vừa phát hiện ra rằng lãnh thổ này thưa thớt hơn so với những gì bản thiết kế dự đoán.

Tham khảo: Morgan et al., “A Color Survey of Trans-Neptunian Objects with the Hubble Space Telescope and James Webb Space Telescope,” The Astronomical Journal, 2026. DOI: 10.3847/1538-3881/ae907f. Eduardo et al., “Size Distribution of Small Trans-Neptunian Objects from Combined HST and JWST Photometry,” The Astronomical Journal, 2026. DOI: 10.3847/1538-3881/ae9084.

Thẻ: James Webb Space Telescope, hubble space telescope, planet formation, Kuiper Belt, trans-neptunian objects